วิธีการคำนวณกำลังเป็นแรงม้าหรือวัตต์ คำเหล่านี้หมายถึงอะไร และเหตุใดข้อกำหนดเหล่านี้จึงมีความสำคัญ
ขั้นตอน
ขั้นตอนที่ 1 ทบทวนพื้นฐาน
คำว่า power หมายถึงช่วงเวลาในการทำงาน ในขณะเดียวกัน งานเป็นศัพท์เก่าที่ใช้วัดว่าแรงที่กระทำนั้นมีประสิทธิภาพเพียงใดในการเคลื่อนย้ายวัตถุเฉื่อยหรือเผชิญหน้ากับสิ่งกีดขวางหรือสิ่งกีดขวางอื่นๆ และครอบคลุมระยะทาง
- ประเด็นคือเพื่อที่จะทำ "งาน" แรงต้องเดินทางไกล ตัวอย่างเช่น ถ้าใบพัดที่มีแรง 300 N เคลื่อนเรือในน้ำ 80 ม. งานที่ทำคือ FORCE x DISTANCE = 300 x 80 = 24,000 "Nm/Joule" --- จึงกล่าวได้ว่าใบพัด ใบพัดทำงานไปแล้ว 24,000 จูล
- พิจารณาเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนเรือเป็นระยะทางนั้น สมมติให้เรือแล่นเป็นระยะทางนี้ด้วยความเร็ว 20 เมตรต่อวินาที (m/s) เพื่อให้ครอบคลุมระยะทาง 80 ม. เรือใช้เวลา 80/20 = 4 วินาที ดังนั้น ใบพัดของเรือจึงทำงาน 24,000 จูลใน 4 วินาที ดังนั้นกำลังจึงใช้ในอัตรา 24,000/4 = 6,000 จูลต่อวินาที (J/s)
-
ทำความเข้าใจภูมิหลังทางประวัติศาสตร์ของจังหวะเวลา ย้อนกลับไปในสมัยก่อนเครื่องยนต์เบนซินและพลังไอน้ำถูกใช้เป็นพลังงานให้กับรถไฟและเรือลำแรก (เรือลำแรกที่ใช้ใบพัดคือ ร.ล. บริเตน ซึ่งการเดินทางครั้งแรกเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2389 และใช้ใบพัดหนึ่งใบที่มี 6 ใบพัด ซึ่งดูเหมือนกังหันลม) ม้ามีงานหนักและหลากหลายมาก ผู้คนวัดความพยายามที่ม้าสามารถทำได้และคำนวณเวลาโดยเฉพาะ หลังจากค้นหาค่าเฉลี่ยของการทดลองหลายครั้ง พวกเขาตัดสินใจใช้ 746 J/s เป็นอัตรามาตรฐานของงานที่ทำโดยม้าที่แข็งแรง ต่อมามาตรฐานนี้จึงเรียกว่า "แรงม้า" 746 จูลต่อวินาที ให้กำลัง 1 แรงม้า (hp) นี้ยังคงเป็นจริงในวันนี้
746 X 60 = 44,760 จูลต่อนาที ซึ่งเท่ากับ: หนึ่งแรงม้า
- หน่วยพลังงานสากลอีกหน่วยหนึ่ง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจำกัดอยู่ที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า และอิงตามระบบเมตริก MKS (เมตร-กิโลกรัม-วินาที/วินาที) คือ "วัตต์" ถ้าแรงหนึ่งนิวตันเดินทางเป็นระยะทางหนึ่งเมตร แสดงว่ามีการทำงานหนึ่งจูลแล้ว ถ้าแรงใช้เวลาหนึ่งวินาทีในการทำหนึ่งจูลของงานนี้ แสดงว่าการใช้พลังงานคือหนึ่งวัตต์ ดังนั้นหนึ่งวัตต์คือหนึ่งจูลต่อวินาที
ขั้นตอนที่ 2 พิจารณาอุตสาหกรรมที่ต้องการในขณะนี้
ในกรณีส่วนใหญ่ในอุตสาหกรรม เราทำงานกับเครื่องจักรที่หมุนได้ ไม่ใช่เครื่องจักรที่มีการเคลื่อนไหวตรงเหมือนการไถม้าด้วยคราดบนพื้นที่ 160,000 ตร.ม. ดังนั้น เราควรจะสามารถกำหนดกำลังขับของสิ่งต่าง ๆ เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องยนต์ไอน้ำ กังหัน ดีเซล เป็นต้น และด้วยเหตุนี้ เราจึงมาทำความรู้จักกับเรื่องของแรงบิด
- แรงบิดคือการวัดแนวโน้มที่จะเปลี่ยนทิศทางหรือหมุนบางสิ่งบางอย่างหรือให้การเคลื่อนที่แบบหมุนไปยังวัตถุบนแกนบางอัน หากคุณกดคันโยกยาวห้าเมตรด้วยแรง 20 นิวตัน แสดงว่าคุณกำลังใช้แรงบิด 5 X 20 = นิวตัน-เมตร
- ต่อไปนี้คือความยากและอาจนำไปสู่ความสับสนได้ ในการคำนวณงานเชิงเส้นตรงบนเส้นตรง คุณต้องคูณแรงด้วยการกระจัด อีกครั้ง คุณกำลังคูณแรงในหน่วยเดียวกับการกระจัด แต่ในกรณีนี้ การกระจัดคือ "แขนก้านบังคับ" และแม้ว่าคุณจะสร้างแรงบิด เว้นแต่มีบางอย่างหมุนอยู่ จะไม่มีการเคลื่อนไหวและดังนั้นจึงไม่ทำงาน
- งานและแรงบิดแม้ว่าจะวัดในหน่วยเดียวกัน แต่จริงๆ แล้วแตกต่างกันมาก ไม่มีการทำงานใดเสร็จสิ้นก่อนที่แรงบิดจะทำให้เกิดการหมุนตามจริง ดังนั้นจึงไม่มีการใช้พลังงาน
- งานมีหน่วยวัดเป็นจูลส์ (J) ในขณะที่แรงบิดวัดเป็นนิวตันเมตร (นิวตันเมตร) เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างทั้งสอง
ขั้นตอนที่ 3 วัดงานหากมีการเคลื่อนไหวหรือ "การกระจัด" แบบหมุน
สมมุติว่าคันโยกล็อคอย่างแน่นหนาที่จุดศูนย์กลางซึ่งสิ้นสุดด้วยเพลาและมือของคุณ ใช้แรง 20 นิวตันเหมือนเมื่อก่อน เคลื่อนที่เป็นระยะทางสองเมตรไปตามวงกลมที่แสดงด้วยคันโยกยาวห้าเมตร จากนั้นจึงทำงานดังที่ กรณีเส้นตรงด้านบน เท่ากับ แรงคูณการกระจัด หรือ 20 X 2 = 40 นิวตันเมตร สมมติว่าคุณกำลังคูณและหารตัวเลขนี้พร้อมกันด้วยคันโยกยาว 5 เมตรหรือ "คันโยก" แน่นอนว่าสิ่งนี้จะไม่เปลี่ยนผลลัพธ์ ดังนั้นคุณสามารถเขียน:
- งาน = 5 X 20 X 2/5 และผลที่ได้คือ 40 Joules เหมือนเดิม แต่ 5 X 20 เหนือกว่านั้นไหม? เพิ่งเห็นว่าเป็นแรงบิด
- "2/5" คืออะไร? ระยะเคลื่อนที่เชิงเส้น 2 เมตรหารด้วยคันโยก จะบอกคุณว่าคุณหมุนเพลาในหน่วยเชิงมุมที่เรียกว่าเรเดียนได้ไกลแค่ไหน เรเดียนซึ่งใช้กันทั่วไปในวิชาฟิสิกส์และวิศวกรรมเครื่องกล ถูกกำหนดให้เป็นมุมระหว่างรัศมีสองรัศมีของวงกลม โดยที่จุดบนเส้นรอบวงของวงกลมที่รัศมีทั้งสองตัดกัน จะถูกคั่นด้วยความยาวของรัศมีของวงกลม การคำนวณนี้ใกล้เคียงกับ 57 องศามากหรือเป็นมุมที่เกิดขึ้นที่ศูนย์กลางของวงกลมด้วยส่วนโค้งที่เท่ากับรัศมีของวงกลมที่เส้นรอบวงของวงกลม
-
ดังนั้นคุณสามารถพูดได้ว่างานที่ทำโดยแรงบิดที่ทำให้เกิดการหมุนกระจัดกระจาย (ทีต้า) เรเดียนเท่ากับแรงบิด (L)
- เท่าของการเคลื่อนที่แบบหมุนหรือ
- งาน = LX theta เป็นจูล
ขั้นตอนที่ 4 สังเกตว่าคุณสนใจปริมาณแรงม้าในการหมุนของมอเตอร์และเครื่องยนต์มากขึ้น เช่น ช่วงเวลาในการทำงานหมุนเวียน:
- กำลังหมุน = แรงบิด X การกระจัดเชิงมุม (เรเดียน)/เวลา (วินาที)
-
ในฟิสิกส์ ความเร็วเชิงมุมเขียนเป็นเรเดียนต่อวินาที แต่เครื่องยนต์ เครื่องบิน หรือเครื่องยนต์ของเรือที่คุณเห็นจะถูกวัดเป็นรอบต่อนาที (รอบต่อนาที) เสมอ ดังนั้นเราต้องเปลี่ยนสิ่งนั้น
- หนึ่งรอบต่อนาที (rpm) = 60 รอบ/วินาที = 60 รอบต่อนาที แต่หนึ่งรอบต่อวินาที = 2 X pi เรเดียนต่อวินาที
- ดังนั้นกำลังในหน่วยจูลต่อวินาทีของอุปกรณ์หมุนซึ่งทำให้เกิดแรงบิด L และหมุนด้วยความเร็ว S รอบต่อนาทีคือ
- กำลัง = S/60 X (2 pi) X L ในหน่วย J/s และตามที่เขียนไว้ก่อนหน้านี้ หากต้องการแปลงเป็นแรงม้า คุณต้องหารด้วย 746 หรือ
- แรงม้ามอเตอร์ = (2 pi)/44.760 X L X S โดยที่ L คือแรงบิดที่วัดเป็นนิวตันเมตร (โดยปกติจะใช้เบรกแบบ Prony) และ S คือความเร็วรอบในการหมุนรอบต่อนาที ซึ่งสามารถวัดได้ด้วยตัวนับ สโตรโบสโคป เลเซอร์ ฯลฯ ด้วยวิธีนี้ เส้นโค้งสมรรถนะของเครื่องยนต์รถยนต์และรถจักรยานยนต์สามารถแสดงเป็นกราฟของแรงบิดเทียบกับรอบต่อนาที และกำลัง (แรงม้า) เทียบกับความเร็วรอบเครื่องยนต์เป็นรอบต่อนาที และช่างเทคนิคยานยนต์สามารถเห็นประสิทธิภาพสูงสุดจากแผนภูมิเหล่านี้
